内燃机车柴油机是一种专门用于铁路牵引的柴油机，它通过燃烧柴油产生动力来驱动内燃机车、车组或动车。1913年，瑞典研制出第一台以55千瓦柴油机为动力的内燃动车，标志着柴油机在铁路牵引领域的应用。然而，直到20世纪50年代，内燃机车因其优越的能源利用率和经济性才开始广泛取代蒸汽机车。至80年代初，全球内燃机车已占机车总数的三分之二。中国从1958年开始自制内燃机车，并在1964年启动自行研制工作，成功开发出多种缸径的机车用柴油机，部分已投入生产并应用于内燃机车。
机车柴油机在设计上需要适应铁路运行中不断变化的线路状况和计划时间要求，因此其转速和功率需能在较宽范围内变化。柴油机在部分负荷和空转时的燃油和机油消耗量、经济性、环境适应能力、噪声水平及排气处理均需满足特定要求。此外，柴油机应能在不同气候条件下可靠起动，在+5℃气温时起动时间不超过10秒。
机车柴油机通常为四冲程V型排列，以12缸或16缸最为普遍，也包含直列式的6、8或10缸机型。其设计需符合铁路机车车辆限界和轴重限制。现代柴油机通过提高增压度和增大气缸排量来提升功率，单机功率已达5000千瓦，平均有效压力为1.3～2.0兆帕，燃料消耗率为200～225克/（千瓦·时）。柴油机的冷却系统、滤清器等附件均布置在机车厢内，并配备有电起动系统、液压全速调速器以及多种自动安全保护装置。
未来，机车柴油机的发展将着重于在限界和轴重允许条件下提升功率、增强可靠性和耐久性、优化经济性、应用电子技术实现运行优化和故障监控、降低噪声和减少排放、以及改善增压器的跟随性。这些改进将进一步提升机车柴油机的性能和适应性，满足铁路运输的效率需求。